基于最大聲壓向量的車身噪聲傳遞函數(shù)評估及優(yōu)化分析

文章提出了一種基于最大聲壓向量的整車噪聲傳遞函數(shù)評估方法，根據(jù)最大聲壓向量法，以車身關(guān)鍵零件鈑金厚度作為變量空間，采用Hyperstudy軟件進行DOE分析，確定車身結(jié)構(gòu)敏感點，同時進行自動優(yōu)化。結(jié)果表明，該方法能夠整體評估車身NTF性能，且收到很好的優(yōu)化效果，具有重要的工程意義。

NTF；最大聲壓向量；NVH；車身優(yōu)化

U491.9+1A481684

基金項目：

廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目“純電動汽車路噪開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究”（編號：2024KY1401）；2023年度柳州市教師隊伍建設(shè)理論與實踐研究課題“虛擬仿真類技能大賽促進教師隊伍成長的研究”（編號：2023-RSA-09）；柳州教育科學規(guī)劃2023年度職業(yè)教育課題“虛擬仿真技術(shù)賦能職業(yè)教育三教改革的研究與實踐”（編號：2023ZJC070）

作者簡介：

黃志杰（1988—），碩士，工程師，研究方向：整車NVH開發(fā)。

0" 引言

噪聲傳遞函數(shù)（Noise Transfer Function，簡稱NTF）是指單位輸入激勵與車內(nèi)噪聲之間的對應(yīng)函數(shù)關(guān)系，用來評價車身結(jié)構(gòu)對載荷激勵的靈敏度特性，是影響整車NVH性能的關(guān)鍵因素之一。不論是來自路面的激勵，還是發(fā)動機的激勵，最終都是通過汽車車身傳入車內(nèi)，并被乘員所感受，在汽車開發(fā)中，車身噪聲傳遞函數(shù)（NTF）作為一項集成指標，直接影響整車NVH性能。李訓猛等［1］建立TB車身聲固耦合模型，進行NTF仿真分析和優(yōu)化，并驗證了優(yōu)化方案的可行性。鐘超等［2］基于NTF不達標問題，通過模態(tài)貢獻量分析與面板貢獻量分析，并結(jié)合ODS分析提出優(yōu)化方案，改善了NTF性能。楊啟梁等［3］基于NTF，對車身地板阻尼板進行拓撲優(yōu)化，驗證了阻尼板降噪的有效性。高思奇等［4］基于模態(tài)貢獻量分析，對TB車身的NTF進行了仿真和測試的對標，并將對標后的CAE模型用于整車NVH開發(fā)中。

然而，車身結(jié)構(gòu)的NTF測量點較多，整車NTF曲線多達數(shù)百條。如圖1所示為某車身的NTF曲線（駕駛員左耳處），總共200多條曲線，數(shù)據(jù)量非常龐大。

目前，汽車NVH開發(fā)工程師只能根據(jù)每一條曲線來評估具體結(jié)構(gòu)的NTF性能水平，無法從眾多的曲線中整體評估車身NTF的總體水平，并從宏觀上判斷車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，從而鎖定優(yōu)化的方向。

此外，NTF的優(yōu)化也是NVH開發(fā)中非常重要的工作。常用的優(yōu)化方法是針對單條NTF曲線，基于工作變形模式分析（ODS）、節(jié)點貢獻量分析（PFGrid）、板件貢獻量分析（PFpanel）等方法確定車身薄弱位置，對工程師的經(jīng)驗依賴度很高。傳統(tǒng)的優(yōu)化方法僅能解決單一曲線的單一超標峰值問題，無法滿足多條曲線的同時優(yōu)化，在進行較多的NTF曲線優(yōu)化時，經(jīng)常出現(xiàn)“此消彼長”的現(xiàn)象，導致NTF優(yōu)化難度大大增加，因此整車NTF優(yōu)化工作將花費數(shù)月之久的時間。

綜上所述，汽車NVH開發(fā)亟須一種能夠?qū)φ嘚TF總體水平的評價方法。同時，需要一種優(yōu)化效率高，并能考慮所有曲線和全部頻段的優(yōu)化方法來實現(xiàn)全局NTF性能的達標。針對上述的相關(guān)技術(shù)問題，本文提出了基于最大聲壓向量的車身噪聲傳遞函數(shù)，從眾多數(shù)據(jù)曲線中評估整車NTF總體水平的方法。同時，根據(jù)該方法，通過Hyperstudy軟件，引入第三類響應(yīng)函數(shù)，對車身NTF性能進行優(yōu)化。結(jié)果表明，該方法可以有效的解決上述棘手問題，改善整車噪聲傳遞函數(shù)峰值，提高優(yōu)化效率。

1" 噪聲傳遞函數(shù)原理

噪聲傳遞函數(shù)（NTF）是評價車內(nèi)某點聲壓（如駕駛員右耳處）與輸入激勵力的比值大小，其為結(jié)構(gòu)的固有屬性，只與結(jié)構(gòu)本身相關(guān)，與激勵、響應(yīng)等外界因素無關(guān)。在對汽車車身NVH特性研究中，駕駛員耳旁噪聲傳遞函數(shù)是一種理想的評價方法。

噪聲傳遞函數(shù)的計算基于聲固耦合理論，在結(jié)構(gòu)上施加激勵產(chǎn)生的響應(yīng)可傳遞至聲學有限元邊界，在耦合計算過程中聲壓亦可作為激勵源影響結(jié)構(gòu)振動，從而影響聲壓的大小，其表達式為：

（Ks+jωCs-ω2Ms）ui+Kcpi=Fsi

（Ka+jωCa-ω2Ma）pi-ω2Mcui=Fai（1）

式中：Ks——結(jié)構(gòu)剛度矩陣；

Cs——結(jié)構(gòu)阻尼矩陣；

Ms——結(jié)構(gòu)質(zhì)量陣；

Ka——聲學剛度矩陣；

Ca——聲學阻尼矩陣；

Ma——聲學質(zhì)量陣；

Kc——耦合剛度矩陣；

Mc——耦合質(zhì)量矩陣；

Fsi——結(jié)構(gòu)激勵矩陣；

Fai——聲學激勵矩陣。

基于最大聲壓向量的車身噪聲傳遞函數(shù)評估及優(yōu)化分析/

黃志杰，張皓惟，何" 雷

2" NTF分析模型的建立

本文采用hypermesh軟件對車身結(jié)構(gòu)和車內(nèi)聲腔進行網(wǎng)格劃分，并賦予相應(yīng)的材料和屬性。NTF分析的CAE模型分為車身結(jié)構(gòu)有限元模型、車聲空腔模型、座椅空腔模型，其中車身結(jié)構(gòu)有限元模型是Trimmed Body（帶內(nèi)飾的車身）模型。如圖2所示。

NTF分析的激勵點包括底盤懸架系統(tǒng)與車身相連的接附點，每個激勵點施加X、Y、Z三個方向的單位激勵，計算工況數(shù)量一般gt;200個。

3" 基于最大聲壓向量的NTF數(shù)據(jù)處理

Altair Compose軟件可方便對CAE計算結(jié)果進行編程后處理［5］。本文采用Altair Compose編制程序，讀取分析結(jié)果的聲壓數(shù)據(jù)，并按照式（2）轉(zhuǎn)化為聲壓級。

Lp=20log10pppre（dB）（2）

式中：Ppre——參考聲壓，取20 μPa。

根據(jù)傳遞路徑分析理論，車內(nèi)噪聲響應(yīng)總是各接附點激勵引起響應(yīng)的疊加［6］，其中作用最明顯的總是相應(yīng)頻率點聲壓最大的曲線分量。因此，本文提出基于最大聲壓向量來評估NTF性能，最大聲壓向量表達式為：

PFk=［max（NTFFk）1，max（NTFFk）2，max（NTFFk）3…］（k=x，y，z）

PRk=［max（NTFRk）1，max（NTFRk）2，max（NTFRk）3…］（k=x，y，z） （3）

式中：PFk、PRk——前懸最大聲壓向量；

max{（NTFFk）i}、max{（NTFRk）i}

（i=1，2，3…）

——前懸和后懸聲壓傳遞函數(shù)矩陣每一列的最大聲壓值。

由于整車前懸和后懸結(jié)構(gòu)具有差異，為了研究前后各方向的NTF特點，需要對聲壓數(shù)據(jù)進行分類。分類原則是：將整車前懸和后懸接附點的X、Y、Z工況的傳遞函數(shù)曲線分別作為一類，生成聲壓傳遞函數(shù)矩陣。該矩陣的行向量為接附點某激勵方向（X、Y、Z）的全頻段噪聲響應(yīng)值，矩陣的行數(shù)為前懸架或后懸架接附點的個數(shù)。本文中某型轎車的前懸架總共有12個接附點，后懸有30個接附點，則該車前懸架的聲壓傳遞函數(shù)矩陣為3個（X、Y、Z方向各一個），每個矩陣由12個行向量組成；后懸架的聲壓傳遞函數(shù)矩陣為3個，每個矩陣由30個行向量組成。

本文通過自編的Altair Compose程序，按照式（3），將每一個聲壓傳遞函數(shù)矩陣縮聚為一個行向量，即最大聲壓向量，整車最大聲壓向量為6個，分別為：前懸X、Y、Z向和后懸X、Y、Z向最大聲壓值向量。如圖3和圖4所示分別為某車型前懸X、Y、Z向的最大聲壓值向量曲線和后懸X、Y、Z向的最大聲壓值向量曲線。

顯然，NTF曲線通過處理后，原來的200多條曲線，最終縮聚為6條最大聲壓值向量曲線，大大簡化了數(shù)據(jù)分析的復雜度。

4" 基于最大聲壓向量的NTF性能評估

本文中，某型轎車NTF目標線定義為55 dB，圖3中的3條最大聲壓值向量曲線代表了整車前懸架X、Y、Z方向的NTF性能水平；圖4中的3條最大聲壓值向量曲線代表了整車后懸架X、Y、Z方向的NTF性能水平。若某最大聲壓值向量曲線某頻率段超過了目標線，則該曲線的相應(yīng)頻段需要優(yōu)化。

為了從宏觀上對車身NTF性能進行整體評估，引入NTF超標系數(shù)η和λ：

η=foutftotal（0lt;ηlt;1）

λ=loutltotal（0lt;λlt;1）（4）

式中：fout——最大聲壓向量曲線超過目標值的頻率長度總和；

ftotal——總頻率長度（一般為300 Hz）；

lout——超過目標值的聲壓傳遞函數(shù)曲線數(shù)；

ltotal——聲壓傳遞函數(shù)曲線數(shù)總和。

超標系數(shù)η和λ越接近0，表明車身的NTF性能越好；越接近1，表明車身NTF性能越差。

整車NTF性能評估方法如下：

（1）當λ≥0.4且η≥0.4時，

表明整車40%的NTF曲線超標，同時40%的頻段超標，說明整車NTF性能較差，車身整體結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。根據(jù)工程經(jīng)驗，無法通過簡單調(diào)整車身鈑金厚度進行NTF性能優(yōu)化，使之全部達標。需結(jié)合車身其他性能指標（如碰撞性能、疲勞耐久性能等）去優(yōu)化車身的主要結(jié)構(gòu)框架，如增大車身各梁截面的尺寸及剛度，才能滿足性能要求。

（2）當λ≥0.4且η＜0.4時，

表明整車40%的NTF曲線超標，但是超標的頻段較少，整車大部分NTF曲線超標的頻段較為集中，根據(jù)工程經(jīng)驗，問題點集中在車身少數(shù)框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計上。此時結(jié)合車身其他性能（如車身模態(tài)、車身剛度等）即可判斷車身結(jié)構(gòu)問題點，加強薄弱處框架結(jié)構(gòu)，可解決大部分NTF性能問題。

（3）當λ＜0.4時，

表明整車超標的NTF曲線≤40%，說明車身主要承力框架設(shè)計優(yōu)良，可通過調(diào)整車身鈑金厚度，優(yōu)化NTF性能。

5" 基于最大聲壓向量的NTF性能優(yōu)化

以下的優(yōu)化僅針對λ＜0.4的情況進行，本文通過Altair Compose編程，將上述最大聲壓向量曲線中超過性能目標值的頻段依次進行RMS處理，并計算響應(yīng)函數(shù)Rs：

RMS=∑nui=nlLPi2nu-nl+1

Rs=RMS-T（5）

式中：nl和nu——最大聲壓向量曲線某頻段超過目標值的下限頻率和上限；

LPi——最大聲壓向量曲線某頻段超過目標值的具體聲壓級（該點頻率為i）；

T——NTF目標值（55 dB）。

根據(jù)式（5），建立優(yōu)化的數(shù)學模型為：

min" RS

s.t.

0.8≤Ti≤2.5

0.85≤m/Mbase≤1.2（i=1，2，3，4…）（6）

式中：T——車身零件鈑金厚度；

m——優(yōu)化后車身總重量；

Mbase——優(yōu)化前車身總重量。

在Hyperstudy軟件中注冊Compose求解器，優(yōu)化過程中Hyperstudy軟件將自動調(diào)用Compose軟件計算式（5）中的響應(yīng)函數(shù)R。

優(yōu)化前，采用拉丁超立抽樣進行DOE分析［7］。本文針對某轎車進行鈑金零件厚度DOE分析，再根據(jù)帕雷多（Pareto）圖的分析結(jié)果，按變量貢獻量大小排列，從中選出15個對NTF最大向量曲線峰值最有效的零件厚度作為優(yōu)化變量，進行下一步優(yōu)化。Pareto分析結(jié)果如圖5所示。

在Altair Hyperstudy軟件中設(shè)置采用ARSM優(yōu)化算法進行多目標參數(shù)優(yōu)化，將目標函數(shù)設(shè)置成最小化，軟件將對零件厚度變量重新進行性能匹配，從中找到最優(yōu)的變量組合，保證目標函數(shù)最小，從而達成性能目標。最終的優(yōu)化結(jié)果如表1所示。

典型最大聲壓向量的最終優(yōu)化結(jié)果如圖6和圖7所示。

由圖6、圖7可知，通過優(yōu)化后，最大聲壓向量曲線峰值在140～180 Hz以及200～250 Hz頻率段分別下降了10 dB和5 dB，NTF性能有了明顯的改善，基本符合開發(fā)目標值的要求。

6" 結(jié)語

基于最大聲壓向量法的NTF性能評估法解決了無法從整體上對NTF進行評估的弊端，該方法使工程師能根據(jù)最大聲壓向量超標系數(shù)直觀評價NTF性能的優(yōu)劣，并初步判斷車身結(jié)構(gòu)弱點。同時，依據(jù)最大聲壓向量曲線，采用Hyperstudy軟件進行鈑金厚度優(yōu)化，可以對車身關(guān)鍵零件的厚度重新進行性能匹配優(yōu)化，最終使NTF性能符合開發(fā)要求。

［1］李訓猛，孫艷亮.基于噪聲傳遞函數(shù)的車內(nèi)噪聲優(yōu)化［J］.時代汽車，2020（14）：16-17.

［2］鐘" 超，夏祖國，陳" 華，等.某皮卡TB模型噪聲傳遞函數(shù)分析優(yōu)化［J］.上海汽車，2022（6）：17-22.

［3］楊啟梁，鄧中銳，胡" 溧.基于噪聲傳遞函數(shù)的白車身阻尼降噪研究［J］.機械設(shè)計與制造工程，2022，51（8）：55-59.

［4］高思奇，曹" 誠，孫" 赫.基于模態(tài)貢獻量分析的噪聲傳遞函數(shù)仿真對標［C］.2021Altair技術(shù)大會論文集，2021.

［5］陳" 晶.基于Altair Compose+Feko的車載天線布局仿真應(yīng)用［C］.2019Altair技術(shù)大會論文集，2019.

［6］廖" 毅，羅德洋，余" 義，等.基于工況傳遞路徑分析的汽車路噪優(yōu)化方法研究［J］.汽車技術(shù)，2019（8）：46-49.

［7］金" 環(huán).HyperStudy在副車架輕量化優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用［C］.2021Altair技術(shù)大會論文集，2021.

20240420